基于三維激光掃描技術的建筑物輪廓擬合精度研究

孔祥玲，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于三維激光掃描技術的建筑物輪廓擬合精度研究

孔祥玲?，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

三維激光掃描技術可以高精度、海量、快速地獲取被測對象的三維坐標，構建出被測對象精準的三維立體模型，這種高精度的三維立體模型在各個行業(yè)有著廣泛的用途。然而輪廓線提取精度是三維立體模型制作精度中起決定性因素之一。本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，對重慶人民大廈進行了掃描，研究了建筑物掃描點云間隔設置和輪廓線擬合提取方法。

三維激光掃描技術；空間分辨率；點云數(shù)據(jù)；掃描

1 引 言

隨著激光技術、計算機技術、微電子技術、半導體以及傳感器等技術的發(fā)展和應用需求的推動，激光測量技術逐步由點對點的激光測距裝置，發(fā)展到采用非接觸主動測量方式，快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標的三維激光掃描測量技術。與其他非接觸式測量方法相比，該技術具有較大的偏置距離和測量范圍，對某一區(qū)域掃描時，采集點位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以真實反映現(xiàn)實環(huán)境；測量準確度高，特別適合測量表面復雜的物體及其細節(jié)的測量，實現(xiàn)目標的精細化測量；測量速度快，節(jié)約大量的時間，使工作效率提高，勞動強度降低，投入費用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測量。

三維激光掃描技術可以高精度、海量、快速地獲取被測對象的三維坐標，構建出被測對象精準的三維立體模型。在三維激光掃描儀的精度評價中，其掃描數(shù)據(jù)的三維立體建模精度是反映儀器測量精度的重要指標之一，為了解三維激光掃描建筑物輪廓的提取精度，本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，對重慶市人民大廈相鄰兩個墻面作為研究對象進行了掃描，研究了建筑物輪廓掃描云間隔設置和輪廓線擬合方法。

2 三維激光掃描儀選用

本次研究需要掃描距離長、精度高、速度快且掃描點云均勻的掃描儀。奧地利RIEGL公司推出RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，其采用了脈沖法測距方式，擁有RIEGL獨一無二的全波形回波技術(waveform digitization)和實時全波形數(shù)字化處理和分析技術(online waveform analysis)，每秒可發(fā)射高達300，000點的纖細激光束，提供高達0.0005°(1.8″)的角分辨率，掃描距離可達1 km。除此以外，基于RIGEL獨特的多棱鏡快速旋轉掃描技術，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點云線。因此本采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進行試驗。

3 場地選擇及常規(guī)測量方案

選擇便于設置點位和觀測要求的人民大廈相鄰兩個墻面作為研究對象，如圖1所示。

圖1 人民大廈相鄰兩個墻面

在人民大廈前方布設5個基準點，作為觀測控制網(wǎng)，采用TCA2003全站儀(0.5″，1+1PPm)按四等精度要求對控制網(wǎng)進行測量，運用清華山維Nasew平差軟件對測量數(shù)據(jù)進行平差，計算出控制網(wǎng)的坐標，控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 控制網(wǎng)布設示意圖

根據(jù)研究的要求，分別在人民大廈相鄰墻面上布設了特征點，在墻面2上布設Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，在兩個墻面的交界處布設Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。使用TCA2003全站儀，分別在B點和C點設站，采用前方交會方法測量特征點的點位坐標，作為三維激光掃描獲取輪廓線的比較數(shù)據(jù)。特征點點位布設如圖3所示。

圖3 人民大廈墻面特征點布設示意圖

4 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

對人民大廈兩個墻面采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進行掃描。分別在B、C、D和E點上架設激光掃描儀，對其進行嚴格的對中整平，為了提高各站點云數(shù)據(jù)拼接精度，每次在測站點設站時其余各點上均架設后視標靶，每站對墻面和后視標靶進行掃描。在B點只掃描墻面2，在E點只掃描墻面1，在C點同時對墻面1和墻面2進行掃描，在D點采用兩種不同空間分辨率參數(shù)設置掃描墻面1和墻面2及其輪廓交線。在掃描過程中實時監(jiān)控掃描數(shù)據(jù)情況，保證獲得較好的掃描數(shù)據(jù)。在掃描結束后對獲取的數(shù)據(jù)進行檢查，保證數(shù)據(jù)的完整性。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)處理按照點云數(shù)據(jù)濾波、點云數(shù)據(jù)平滑處理、點云數(shù)據(jù)的分割、不同測站掃描數(shù)據(jù)的拼接和融合等環(huán)節(jié)進行。其中難點是對點云數(shù)據(jù)的厚度處理，根據(jù)三維激光掃描儀得到的點云包含四維信息，即三維坐標和回光信號強度，在數(shù)據(jù)處理中首先剔除回光信號強度相對較弱的點，采用信號強度較強點云進行后期處理。

具體處理時，將在B點和E點設站掃描獲取的墻面點云數(shù)據(jù)進行最終拼接、擬合并提取墻面相交處輪廓線；對在C點設站掃描獲取的點云數(shù)據(jù)，按常規(guī)方法處理后提取墻面相交處輪廓線；對D點按兩種不同空間分辨率獲取的墻面點云數(shù)據(jù)分開處理后，提取各特征點的坐標。

5.2 空間分辨率設置對建模精度的影響

掃描的空間分辨率指掃描點的采樣間隔，反映了對被測物體掃描的精細程度。對每一個目標的掃描，都需要事先設置掃描分辨率。在對被測物體進行掃描之前，要依據(jù)激光束發(fā)散角的大小及距離的遠近設置激光掃描儀的分辨率。圖4中表明不同分辨率所獲得掃描數(shù)據(jù)的情況。

圖4 激光束發(fā)散角與采樣間隔之間的關系

為驗證不同掃描間隔對點云數(shù)據(jù)建模精度的影響，在D點設站對人民大廈進行掃描時，利用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀具有的點云間隔設置功能，分別選用了100 m距離10 mm和2 mm兩種點云間隔進行掃描，掃描得到的點云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的效果如圖5和圖6所示。

圖5 點云間隔10 mm的掃描數(shù)據(jù)

圖6 點云間隔2 mm的掃描數(shù)據(jù)

對兩種不同點云間隔掃描數(shù)據(jù)建立表面模型，擬合墻面上特征點Z1～Z6的坐標，并與TCA2003全站儀測量相對應點的坐標進行距離量取，得到不同點云間隔設置下的模型精度，其結果如表1所示。

不同點云間隔設置數(shù)據(jù)處理表 表1

通過數(shù)據(jù)分析可知，在點云激光標靶不重疊的情況下，高密度的點云間隔擬合平面精度高于低密度點云擬合平面精度。當建筑物表面為平面且結構簡單時，采用高密度掃描和低密度掃描得到的點云數(shù)據(jù)質量都能達到毫米級。在實際工作中，對于非高精度的測量項目，可以采用厘米級的點云間隔設置進行掃描，這樣可以有效縮短外業(yè)掃描時間，提高工作效率，同時也能滿足工程需要。

5.3 輪廓線提取方法研究

建筑物的表面可以看作是由許多不同形狀的平面組合而成的，各個平面的交線就可以看做是建筑物的輪廓特征線。輪廓線提取精度是三位立體建模精度中起決定性因素之一，也是反映儀器測量精度的重要指標之一。因此，本次研究采用兩種方法測量提取建筑物輪廓線并進行比較。

第一種方法是直接整體掃描兩個墻面，并對點云數(shù)據(jù)建立表面模型，從而提取輪廓線，如圖7所示(圖中豎線表示提取的建筑物輪廓線，4個點表示全站儀測量的輪廓線上點數(shù)據(jù)，數(shù)值表示提取輪廓線與測量點之間的差值)。

圖7 直接掃描數(shù)據(jù)拼接后擬合輪廓線與測量點間的距離示意圖

第二種方法是通過分別單獨掃描相鄰的兩個墻面，對兩個墻面進行平面擬合，再通過計算兩個擬合平面交線來提取輪廓線，如圖8所示(圖中豎線表示提取的建筑物輪廓線，4個點表示全站儀測量的輪廓線上點數(shù)據(jù)，數(shù)值表示提取輪廓線與測量點之間的差值)。

圖8 兩次掃描數(shù)據(jù)擬合輪廓線與測量點間的距離示意圖

把兩種方法得到的輪廓線數(shù)據(jù)與TCA2003全站儀測量數(shù)據(jù)進行比較結果如表2所示。

擬合輪廓線與全站儀測量特征點的距離 表2

從表2可以看出，兩個平面交會擬合的輪廓線與全站儀測量特征點的距離要大于直接掃描整個建筑物擬合輪廓線的距離，說明直接掃描整個被測量體獲取輪廓線的精度要高于將被測量體分開掃描后擬合輪廓線的精度。但是，兩種方法掃描的誤差都在毫米級，因此對于常規(guī)測量兩種方法都可以滿足精度要求，而高精度測量時應采用第一種方法。

6 結 語

本文采用三維激光掃描技術，針對建筑物輪廓線在點云數(shù)據(jù)中的擬合提取精度以及數(shù)據(jù)采集時掃描點云間隔設置對精度的影響等進行了研究。得出了在點云激光標靶不重疊的情況下，高密度點云間隔獲取的數(shù)據(jù)擬合平面精度高于低密度獲取的點云擬合平面精度；直接掃描整個被測量體獲取輪廓線的精度要高于將被測量體分開掃描后擬合輪廓線的精度。對于本文中采用的方法，數(shù)據(jù)處理結果都能達到毫米級，在實際工作中，建議對常規(guī)工程采用厘米級掃描間隔設置，這樣既能滿足工程需要也能提高工作效率；對于有高精度要求的項目，可以選定需要區(qū)域采用毫米級的點云間隔進行掃描。

[1] 楊俊志，尹建忠，吳星亮.地面激光掃描儀的測量原理及其檢定[M].北京：測繪出版社，2012.

[2] 張毅，閆利，楊紅等.地面三維激光掃描的系統(tǒng)誤差模型研究[J].測繪通報，2012，1：16～19.

[3] 朱光.三維激光掃描測量技術探究及應用[J].模具工程，2009(4)：52～53.

[4] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[5] 歐斌，黃承亮.三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究[J].城市勘測，2012，2：123～125.

[6] CJJ/T8-2011.城市測量規(guī)范[S].

兩江新區(qū)地理國情監(jiān)測技術達國內(nèi)領先水平

(本刊訊)近日，由重慶市勘測院承擔的“兩江新區(qū)地理國情監(jiān)測”項目在北京順利通過重慶市科學技術委員會組織的以中國工程院劉先林院士為主任的專家委員會評審。與會專家一致認為該項目成果整體上達到了國內(nèi)領先水平。

該項目針對山地城市特點，結合兩江新區(qū)現(xiàn)狀條件，利用翔實準確的數(shù)據(jù)源，形成了形式多樣的監(jiān)測成果，建立了兩江新區(qū)多源數(shù)據(jù)本底數(shù)據(jù)庫，構建了可視化查詢檢索應用平臺。該監(jiān)測技術創(chuàng)新地采用了高精度的多源數(shù)據(jù)分類提取方案、有效抑制線性噪聲的變化檢測、改進的遙感影像指數(shù)分析、地理國情信息的綜合分析等技術。同時，還利用了重慶市勘測院的國家發(fā)明專利技術提取地面光譜影像變化數(shù)據(jù)。

兩江新區(qū)地理國情監(jiān)測項目在兩江新區(qū)的應用將有力推進新區(qū)建設，幫助了解和掌握兩江新區(qū)基本地形地貌、城市建設、社會經(jīng)濟等各方面的綜合情況，為兩江新區(qū)的科學管理和合理規(guī)劃提供決策支持，同時也為重慶市即將全面開展的地理國情普查工作提供了寶貴的經(jīng)驗。

(重慶市勘測院 胡開全供稿)

The Research of Building Contour Fitting Precision0020Base on 3D Laser Scanning Technology

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

3D Laser Scanning Technology cans high-accuracy，magnanimity，fast get object’s 3d coordinate，and establish precise 3dmodel of object，precise 3dmodel iswidespread used in allwalks of life.But contour line extraction accuracy is decided to one of the factors in 3d modelmaking precision.This paper used RIEGL VZ-1000 3d laser scanner to scanning the people of Chongqing building，research the method of building scanning the point cloud interval setting and contour line extraction.

3d laser scanning technology；spatial resolution；point cloud data；scanning

1672-8262(2013)03-117-04

P234.4

B

2012—07—27

孔祥玲(1973—)，女，高級工程師，主要從事工程測量工作。